搅拌工艺对碳纤维分散性研究.pdf

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1、搅拌工艺对碳纤维分散性研究●魏建强●西安外事学院工学院。陕西西安710077摘要：研究了不同分散工艺对碳纤维水泥砂浆(CFRM)碳纤维分散性的影响。通过“导电率”指标来评价碳纤维在CFRM中的分散性，结果表明：在其他条件一定的情况下，湿分散法的评价指标最优，说明碳纤维的分散效果最好。关键词：碳纤维分散性导电率1引言碳纤维增强水泥基复合材料是一种新型建筑材料，其具有许多特殊的功能，如压敏性、温阻效应、焦耳效应、热电效应⋯等，在未来的工程领域有望获得良好的应用。碳纤维水泥砂浆是碳纤维水泥基复合材料的典型代表，制作工艺是将短切碳纤维均匀分散加入到水泥砂浆中就制成了碳纤维水泥砂浆(CFRM

2、)，不仅可以提高水泥砂浆的抗拉强度等力学指标，而且还使水泥砂浆具有导电性”J。然而，碳纤维作为一种直径仅有几个微米，且都成束整体存在的材料，同时表面光滑还具有憎水性，在水泥砂浆中难以均匀分散，影响了碳纤维水泥砂浆的性能，特别是对碳纤维水泥砂浆的导电性有直接的负面影响，限制了碳纤维水泥砂浆作为功能材料的推广应用。为了解决碳纤维的分散问题，人们作了许多工作【3一⋯，但都不太理想。本文采用“干分散法”、“预分散法”和“湿分散法”3种不同的分散工艺进行碳纤维水泥砂浆加工，通过“导电率”性能指标来测试碳纤维在水泥砂浆中的分散效果，研究分散工艺对碳纤维分散性的影响因素。2实验2．1原材料和主要

3、测量仪器秦岭牌P032．5普通硅酸盐水泥；ISO标准砂；自来水；甲基纤维素；PAN基短切碳纤维：江苏恒神纤维材料有限公司，长度5mm，主要技术指标见表1表1短切碳纤维主要技术指标单丝直径抗拉强度拉伸模量含碳量伸长率密度体积电阻热传导率叫mGPa％∥∞3率n·∞W／m·k5．03_O一3．522旺_2柏≥951．5l_6一l76I．5x10—310DDG—A型高效电接触导电膏；0．8mm厚黄铜片；磷酸三丁酯；TDGC2--2KVA型接触式调压器；VC890D型万用表。2．2试件制作工艺水泥与标准砂的质量配合比为1：3，水灰比为0．75，水泥4509，标准砂13509，水337．59。

4、碳纤维、甲基纤维素和磷酸三丁酯按占水泥质量的百分比计算，碳纤维含量为0．5％。按比例称取各组成材料，先将337．5：06C的水盛入砂浆搅拌机搅拌锅中，加入分散剂甲基纤维素、消泡剂磷酸三丁酯，用玻璃棒强力搅拌三分钟，使分散剂和消泡剂充分溶解。为了明确比较搅拌工艺对碳纤维分散性的影响，实验采用固定的原材料配比，固定的密实成型及养护工艺。分散工艺对分散性的影响设计了以下三种实验方案如下：(I)预分散法：先将水泥和碳纤维搅拌分散，再加入到水溶液中强力搅拌两分钟，最后加入标准砂搅拌两分钟；(2)湿分散法：先将碳纤维在水溶液中搅拌分散，然后加入水泥搅拌两分钟，最后加入标准砂搅拌两分钟。(3)后

5、分散法：先将水泥加入水溶液中。然后加入碳纤维，强力搅拌两分钟，最后加人标准砂搅拌两分·12·钟；碳纤维导电砂浆制备后立即成型，注入40ramx40mm×160mm的水泥砂浆试模中，分两层加入，每层振动60次。置于室内。24h后脱模，立即放入标准养护箱中养护。2．3测试方法本实验采用电阻率(导电率)指标来反映碳纤维在水泥砂浆中的分散性。将碳纤维水泥砂浆试样标准养护28d，然后测量试样的导电率。导电率采用两电极法测量。如图1所示。电极采用黄铜片，通过导电膏与碳纤维水泥砂浆接触并粘结。首先用万用表量出电压V和电流I，通过欧姆定律R=V／I计算出电阻值，然后通过电阻率公式P=RS／L计图1

6、两电极法测量导电率示意图算出试样电阻率(s一横截面积，L一导体长度)。3实验结果与分析标准养护28天后，不同分散工艺情况下碳纤维砂浆的电阻率如图2所示。3530725曼20谆15蛊脚105olm一"-l预分散法湿分散法后分散法分散工艺图2分散工艺对电阻率的影响相同碳纤维含量的碳纤维水泥砂浆，由于碳纤维分散工艺的不同，试样的电阻率相差较大。由图2可以看出，湿分散法的电阻率最低，后分散法电阻率最高，说明湿分散法导电效果最好，这是因为将碳纤维加入水溶液后，水溶液中的分散剂甲基纤维素对碳纤维的湿润，降低了碳纤维的表面张力，促使碳纤维以单丝状态存在，同时又在碳纤维表面形成一层稳定的保护膜，阻

7、止已经分散的碳纤维重新聚集成团。预分散法的电阻率介于湿分散法和后分散法之间，此种分散方法碳纤维主要依靠水泥对碳纤维的物理分散作用，分散剂的分散作用不明显。后分散法的电阻率最大，达到了35．8kn·m，是湿分散法的2．9倍，分析认为，此种分散方法碳纤维的分散性只能依靠水泥浆的物理分散作用，成束的碳纤维很难均匀分散。根据以上的研究成果，以湿分散法为基础，通过碳纤维在水溶液中搅拌时间的变化来反映搅拌时间对碳纤维水泥砂浆导电率的影响，从而反映出搅拌时间对碳纤维分散性的影响，具